Gegenüber konventionellen Filtersystemen bietet die Magnetfiltration bei der Reinigung von Kühlschmierstoffen, die für die Bearbeitung von Eisen und Stahl eingesetzt werden, erhebliche Vorteile. Insbesondere unter ökonomischen und ökologischen Gesichtspunkten und beim Vergleich der Leistungsfähigkeit können durch den Einsatz der Magnetfiltration erhebliche Verbesserungen erzielt werden.

Grundprinzip der Magnetfiltration

Vereinfacht gesagt basiert die Wirkung eines Magnetfilters auf der magnetischen Anziehungskraft auf eisenhaltige Partikel in einer Flüssigkeit. Dies geschieht durch Einbau eines extrem starken permamagnetischen Magnetfilterstabes in den Flüssigkeitsstrom. Der Magnetfilterstab wird so eingesetzt, dass die Flüssigkeit um den Magnetfilterstab herumfließt und ausreichend Kontakt zu dem Magnetfilterstab hat. Dadurch wird ermöglicht, dass alle ferritischen Partikel in das Magnetfeld gelangen und festgehalten werden.

Arbeitsprinzip Magnetfilterstab

Der Magnetfilterstab zieht die Partikel so lange an, bis das magnetische Feld komplett mit eisenhaltigen Partikeln gesättigt ist. Wenn dieser Punkt erreicht ist, muss der Prozess gestoppt werden und der Magnetfilterstab muss gereinigt werden.

Durch optimalen Aufbau eines Magnetfiltersystems wird eine Blockade des Flüssigkeitsstromes durch die angesammelten Partikel im Magnetfilter verhindert. Der Hauptvorteil der Magnetfiltration besteht darin, dass keinerlei Filtermedien ersetzt und regelmäßig ausgetauscht werden müssen. Darüber hinaus sind Magnetfilter in der Lage, Partikel bis unter 1 µm in einem Arbeitsgang aus der Flüssigkeit zu entfernen.

Prinzipielle Funktion von konventionellen Filtern

In den meisten Anwendungsfällen werden Kühlschmierstoffe im industriellen Bereich mit konventionellen Filtern wie z.B. Bandfiltern, Beutelfiltern oder Filterpatronen gereinigt. Üblicherweise werden Filterhilfsmittel aus Polypropylen, Polyester oder Zellulosefasern eingesetzt.

Bei Bandfiltern werden Filtervliese auf einem geeigneten Träger aufgebracht und die Flüssigkeit wird mittels Schwerkraft oder Unterdruck durch das Filtermaterial geleitet.

Bandfilter mit Friess Ölskimmer

Patronenfilter bestehen überwiegend aus Filterpatronen, die aus sterngefalteten Filtertüchern aufgebaut sind. Durch die Sternfaltung wird eine deutlich größere Oberfläche in dem Filtergehäuse untergebracht und es können größere Partikelmengen aufgenommen werden.

Filterelement mit Schmutzpartikeln

Beutelfilter haben den großen Vorteil, dass sie sehr viel Schmutz aufnehmen können.

Beutelfilter

All diese Filtertypen nutzen verschiedene Arten der Abscheidung wie z.B. Absorption, Verkleinerung der Filterporen durch Aufbau von Filterkuchen. Letztendlich läuft es jedoch darauf hinaus, dass die Leistung eines Filters, die Schmutzaufnahmekapazität und die Größe der zu entfernenden Partikel von der Porengröße des Filtermaterials abhängen. Das heißt, die Partikel, die größer sind als die tatsächliche Filterpore, bleiben in dem Filtermaterial hängen. Kleinere Partikel, die durch die Pore hindurch passen, passieren das Filtermaterial i.d.R. ungehindert. Es ist wichtig zu wissen, dass ein Filtermedium, das geeignet ist um 40 µm Partikel zu entfernen, nicht nur Filterporen der Größe 40 µm hat. Die Porengröße des Filtermaterials ist absolut unterschiedlich und es wird nur ein bestimmter, wenn auch sehr hoher Prozentsatz der Partikel über 40 µm tatsächlich abgeschieden.

Jedes Filter, das in ein Kühlschmierstoffsystem eingebaut wird, verursacht einen gewissen Druckverlust. Bei einem Bandfilter bewirkt der Druckverlust, dass der Flüssigkeitsspiegel über dem Filterband langsam ansteigt. Wenn der Druckverlust zu hoch wird und der Flüssigkeitsspiegel über ein zuvor definiertes Niveau ansteigt, ist das Filterband mit Schmutz gesättigt und muss vorgeschoben werden. Bei einer Filterpatrone ist der Druckverlust von Beginn an höher. Jedes Partikel, das aus der Flüssigkeit entnommen wird, wird den Durchfluss der Filterpatrone minimal verringern. Je mehr Partikel entfernt werden, desto mehr Filterporen sind teilweise oder vollständig blockiert und der Differenzdruck steigt. Im Extremfall kann der Durchfluss komplett verstopfen. Um die Flüssigkeitsversorgung der Maschine sicherzustellen, muss ein Druckschalter so justiert werden, dass bei Erreichen eines bestimmten Differenzdrucks vor vollständiger Blockade der Filterpatrone ein Alarm ausgegeben wird, damit die Filterpatrone rechtzeitig vor dem Verstopfen ausgetauscht werden kann.

Vorteile von konventionellen Filtern

Einfache Überwachung

Durch den mit zunehmender Belastung ansteigenden Differenzdruck ist es äußerst einfach, ein konventionelles Filter zu überwachen. Mit einem einfachen Manometer, Druckschalter oder Differenzdruckschalter kann die Leistungsfähigkeit einer Filterpatrone schnell und einfach überprüft werden. Bei Erreichen eines bestimmten, voreingestellten Differenzdrucks wird die Anlage abgeschaltet und das Filterelement getauscht. Bei Bandfiltern wird der Flüssigkeitsstand über dem Filterband überwacht. Wenn der Flüssigkeitsstand zu hoch wird, wird das Band automatisch vorgeschoben und der Flüssigkeitsstand (Differenzdruck) sinkt wieder ab.

Investitionskosten

Ein weiterer Vorteil von konventionellen Filtern sind die relativ geringen Investitionskosten. Aufgrund der großen Stückzahlen werden Bandfilterautomaten / Filtergehäuse für Patronenfilter, günstig gefertigt. Darüber hinaus sorgt der intensive Wettbewerb der vielen auf dem Markt agierenden Filterhersteller für marktgerechte Preise.

Erfahrungen

Aufgrund der Vielzahl der eingesetzten Filter gibt es bei den Herstellern und Anwendern langjährige Erfahrungen. Dies sorgt dafür, dass die Neuauslegung einer Filteranlage nach der Inbetriebnahme zu den gewünschten Ergebnissen führt. Wenn überhaupt, sind in vielen Fällen nur kleinere Korrekturen erforderlich um die zuvor erwartete Filterleistung zu erreichen.

Nachteile von konventionellen Filtern

Verbrauchskosten

Der größte Nachteil von konventionellen Filtern, die nicht rückgespült werden, ist der Verbrauch an Filterhilfsmitteln. Je nach Filterfeinheit ist der Verbrauch an Filterband bzw. Filterpatronen relativ hoch. Aufgrund des hohen Bedarfes müssen die erforderlichen Ersatzteile am Lager gehalten werden.

Entsorgungskosten

Nach Gebrauch müssen die eingesetzten Filter teuer entsorgt werden. Das Filtermaterial ist mit Emulsion bzw. Öl verunreinigt und kann nicht einfach zusammen mit dem normalen Restmüll entsorgt werden.

Umwelt

Aus Umweltgesichtspunkten ist es natürlich nicht sehr sinnvoll, aufwändig produzierte Materialien wie Filterpatronen oder Bandfilter nach kurzer Gebrauchszeit als Sondermüll zu entsorgen. Aufgrund der von vielen Unternehmen gewünschten Umweltzertifizierungen muss die Abfallmenge kontinuierlich reduziert werden. Da bei steigender Produktionsmenge auch der Verbrauch an Filtern steigt, widerspricht der Einbau von Filtern den Umweltzielen eines Unternehmens.

Je nach zu bearbeitendem Material geht mit dem Filterhilfsmittel auch ein nennenswerter Anteil an Wertstoff verloren.

Begrenzte Leistungsfähigkeit

Bei der Auslegung eines Filters muss immer ein Kompromiss zwischen Druckverlust, Verbrauch an Filterhilfsmittel und Größe der abzuscheidenden Partikel gefunden werden. Durch geeignete Filter, wie sie z.B. in der pharmazeutischen Industrie oder der Lebensmittelindustrie eingesetzt werden, können aus unterschiedlichsten Flüssigkeiten Partikel bis weit unter 1 µm ausfiltriert werden. Für eine derart extreme Feinfilterung sind jedoch sehr teure Filterhilfsmittel, sehr große Filtersysteme und mehrere Filterstufen erforderlich. Aus diesem Grund sind die in der Metallbearbeitung eingesetzten Filter zur Reinigung von Emulsion stets ein Kompromiss zwischen Kosten und Abscheidegrad. Schon eine Verkleinerung der abzuscheidenden Partikel von 30 µm auf 5 µm oder 10 µm verursacht extreme zusätzliche Kosten. Da natürlich auch noch kleinere Partikel in der Flüssigkeit vorhanden sind, sind trotz der verbesserten Filtration Verschleißerscheinungen an Pumpen oder schlechtere Oberflächenqualität als bei noch saubereren Medien zu erwarten.

Alternative Reinigungsverfahren

Zur Verbesserung der Reinheit von Kühlschmierstoffen werden neben den zuvor beschriebenen konventionellen Filtern auch noch andere Verfahren eingesetzt.

1. Im industriellen Bereich werden insbesondere Anschwemmfilter eingesetzt. Durch Zusatz von Anschwemmmitteln wie z.B. Zellulose oder Kieselgur wird ein sehr dichter Filterkuchen aufgebaut und es werden Partikel bis zu ca. 1 µm abgeschieden. Nachteilig ist hier, dass eine große Menge Sondermüll anfällt, da der Filterkuchen zu über 98 % aus Filterhilfsmittel und nur zu aus 1 % – 2 % Partikeln besteht. Das Ganze ist dann noch mit Öl verunreinigt und kann nur als Sondermüll verbrannt werden.

2. Mit Zentrifugen können auf einfache Art und Weise Partikel mit hohem spezifischem Gewicht von Flüssigkeiten mit geringem spezifischem Gewicht getrennt werden. Je nach Art der Zentrifugen werden die Partikel durch Zentrifugalkräfte von bis zu 5000 g von der Flüssigkeit abgetrennt. Dabei werden Partikel bis etwa 5 µm aus Kühlschmierstoffen entfernt. Zwar benötigen Zentrifugen keinerlei Filterhilfsmittel, jedoch ist der Energieeinsatz relativ hoch.

Reinigungszentrifuge

3. Hydrozyklone trennen, prinzipiell ähnlich wie Zentrifugen, durch Ausnutzen des unterschiedlichen spezifischen Gewichts von Flüssigkeit und Partikel. Die Flüssigkeit wird jedoch über Pumpen beschleunigt, so dass im Hydrozyklon keinerlei bewegliche Teile erforderlich sind. Bei richtiger Auslegung können Partikel bis ca. 5 µm problemlos abgeschieden werden. Genau wie bei Zentrifugen benötigen Hydrozyklone keinerlei Filterhilfsmittel, jedoch ist der Energiebedarf relativ hoch.

Hydrozyklone im Einsatz

4. Bei Spaltfiltern wird eine Vielzahl von Spezialfilterscheiben aufeinander gepresst. Die Partikel fangen sich im Zwischenraum zwischen den einzelnen Scheiben. Durch Rückspülen werden Partikel und Flüssigkeit aus dem Filter ausgespült. Die Investitionskosten sind jedoch relativ hoch und auch die Wartungskosten, die bei dem Austausch der Spaltfilterscheiben anfallen, sind empfindlich hoch.

Vorteile von magnetischen Filtersystemen

Investitionskosten

Manuell zu reinigende Magnetfilter arbeiten ohne bewegliche Teile und sind prinzipiell relativ einfach aufgebaut. Daher sind die Investitionskosten relativ gering.

Laufende Kosten

Magnetfilter benötigen keinerlei Verbrauchsmaterial oder Filterhilfsmittel oder Energie. Aufgrund des geringen Druckverlustes benötigen Magnetfilter keine zusätzliche Energie.

Umweltauswirkungen

Im Gegensatz zu anderen Filtersystemen fällt keinerlei Verbrauch von Filterhilfsmittel oder Energie an. Dadurch entfallen die Produktion und Anschaffung der Filterhilfsmittel. Dadurch reduziert sich auch die Abfallmenge. Das ausgefilterte Material kann sortenrein recycelt werden.

Effizienz

Da Magnetfilter Partikel bis unter 1 µm aus Kühlschmierstoffen entfernen können, wird die Reinheit des Kühlschmierstoffes gegenüber anderen Filtersystemen erheblich verbessert. Die Anfälligkeit von Kühlschmierstoffen für Pilze und Bakterien wird reduziert und die Lebensdauer des Kühlschmierstoffs steigt. Bei vielen Anwendern konnten wir beobachten, dass durch konsequenten Einsatz der Magnetfiltration die Flüssigkeit deutlich sauberer wurde. Dadurch wurden auch die Ablagerungen in den Maschinen deutlich reduziert; das Arbeitsumfeld war deutlich sauberer. Aufgrund des saubereren Kühlschmierstoffes ist in vielen Fällen die Oberflächenqualität der zu bearbeitenden Teile deutlich besser geworden. Grobe Kratzer, die zuvor von harten Partikeln, die zwischen Werkzeug und Werkstück gelangt sind, verursacht wurden, konnten deutlich reduziert werden.

Nachteile von magnetischen Filtersystemen

Es werden nur ferritische Partikel erfasst. Daher werden Magnetfilter überwiegend in Kombination mit anderen Systemen eingesetzt.

Unterschiedliche Ausführungen von Magnetfiltrationssystemen

Auf dem Markt sind eine Vielzahl von unterschiedlichsten  Magnetfiltersystemen verfügbar. Die einfachste Ausführung besteht aus einem simplen Magnet, der in einem Filtergehäuse eingebaut ist oder einfach in den Tank gehängt wird, bis hin zu vollautomatischen, selbstreinigenden Magnetfiltersystemen, die 24 Stunden am Tag 7 Tage die Woche ohne Überwachung große Kühlschmierstoffmengen sauber halten.

Magnetwalze

Eine Vielzahl von Kühlschmierstoffsystemen zur Versorgung von Schleifmaschinen ist bereits mit Magnetwalzen ausgestattet. Magnetwalzen bestehen aus einer drehbaren, mit Magneten bestückten Walze, die sich im Kühlschmierstoff dreht. Über einen Abstreifer werden die gesammelten Verschmutzungen abgeschieden. Aufgrund der relativ begrenzten Feldstärke von ca. 3000 Gauss und der hohen Strömungsgeschwindigkeit werden Magnetwalzen üblicherweise nur als Vorabscheider eingesetzt, da nur Partikel über ca. 70 µm bis 100 µm zuverlässig entfernt werden.

Magnetwalze im Einsatz

Sternförmige Magnetfilter

Darüber hinaus gibt es Magnetfilter, die mit sternförmigen Platten ausgestattet sind. An der Spitze befinden sich kleine Magnete. Aufgrund des intensiven Kontakts mit der Flüssigkeit ist die Abscheidewirkung relativ gut. Eine vernünftige Abreinigung der gesammelten Schmutzpartikel ist jedoch nahezu unmöglich.

Magnetfilter mit Kunststoffgehäuse

Darüber hinaus sind Magnetfilter, die in einem Gehäuse aus Aluminium und Kunststoff eingebaut sind, am Markt erhältlich. Aufgrund der verwendeten Magnetform haben diese Magnetfilter an der Oberfläche des Magnetfilterstabes nur ein relativ schwaches Magnetfeld von ca. 4000 Gauss. Darüber hinaus hat die Erfahrung gezeigt, dass es während des Einsatzes bei einigen Anwendern zu Rissen im Gehäuse gekommen ist.

Magnetwerkstoffe

Für eine effiziente Filtration von Prozessflüssigkeiten werden überwiegend Magnete aus Neodym eingesetzt. Diese Magnete bieten extrem starke Feldkräfte und sind ausreichend verfügbar. Nachteilig sind die Korrosionsempfindlichkeit des Materials sowie die geringe Temperaturbeständigkeit von max. 60 °C. Um die Magnete in allen denkbaren Prozessflüssigkeiten einsetzen zu können, werden die Magnete in dünne Edelstahlrohre eingeschweißt. Dadurch wird die Feldkraft etwas gedämpft, jedoch werden bei Qualitätsmagnetfilterstäben immer noch Feldkräfte von über 10000 Gauss an der Oberfläche des Edelstahlrohres gemessen. Diese Feldkraft ist deutlich höher als bei den bekannten Hartferritmagneten.

Magnetwerkstoff AINiCo Hartferrit Neodym Samarium Cobalt
max. Temperatur 550 °C 180 °C 100 °C 300 °C
Korrosionsbeständigkeit hoch mittel niedrig mittel
max. magnetische Flussdichte 9000 G 3000 G 14500 G 11000 G
Preis mittel günstig hoch sehr hoch

Grundsätzlich ist der Aufbau eines Magnetfilters relativ einfach. In ein Filtergehäuse werden Magnetfilterstäbe so eingebaut, dass sie optimal von der verschmutzten  Flüssigkeit umströmt werden. Die Magnetfelder der einzelnen Magnetfilterstäbe müssen sich im richtigen Verhältnis überschneiden um eine optimal Abscheidung zu erreichen.

Friess Magnetfilter bestehend aus einem Edelstahlgehäuse mit Deckel und eingebauten Magnetfilterstäben

In einem Magnetfiltersystem ist die Strömung idealerweise leicht turbulent, so dass die Partikel immer wieder von der Gehäusewandung zum Magnetfilterstab hin gespült werden. Darüber hinaus sollte die Verweilzeit der einzelnen Partikel im Magnetfeld so lang wie möglich sein, damit ausreichend Zeit vorhanden ist, um das Partikel in Richtung des Magnetfilterstabes zu bewegen. Je höher die Kraft ist, die auf das einzelne Partikel wirkt, desto schneller erfolgt die Abreinigung. Daher muss die magnetische Flussdichte so hoch wie möglich gewählt werden, um auch kleine Partikel, die proportional zu ihrer Größe mit geringerer Kraft angezogen werden, gegen die Strömung anzuziehen.

Die Abscheideleistung eines Magnetfiltersystems wird hauptsächlich von folgenden Parametern  beeinflusst:

1. Material der Partikel
2. Größe der Partikel
3. Viskosität der  zu reinigenden Flüssigkeit
4. Magnetische Flussdichte der eingesetzten Magnetfilterstäbe
5. Verweildauer der Flüssigkeit im Magnetfeld
6. Entfernung zwischen Partikel und Magnetfilterstab

Daher gelten für die Auslegung eines Magnetfiltersystems folgende Grundsätze:

  1. Je höher die Viskosität der zu reinigenden Flüssigkeit, desto länger muss die Verweilzeit der Flüssigkeit im Magnetfiltersystem gewählt werden.
  2. Wenn Werkstoffe die schwächer magnetisch sind, wie z.B. Edelstahlpartikel oder Hartmetallpartikel aus der Flüssigkeit abgeschieden werden sollen, muss die Verweilzeit im Magnetfiltersystem höher gewählt werden.
  3. Je kleiner die abzuscheidenden Partikel sind, desto länger muss die Verweilzeit im Magnetfilter sein.
  4. Je höher die magnetische Flussdichte der Magnetfilterstäbe, desto besser ist die Abscheidewirkung.

Die Verweilzeit in einem Magnetfiltersystem kann verlängert werden, indem man den Durchfluss gegenüber dem Nenndurchfluss deutlich reduziert. Alternativ besteht die Möglichkeit für einen bestimmten Durchfluss ein Magnetfiltersystem mit höherem Nenndurchfluss einzusetzen. FRIESS Magnetfilter verwenden grundsätzlich Magnetfilterstäbe mit ausgesuchten Neodymmagneten mit einer Flussdichte von ca. 11000 Gauss (garantiert mindestens 10000 Gauss).

Messung der magnetischen Flussdichte an einem Magnetfilterstab von Friess (angezeigter Wert 10840 Gauss, Spitzenwert 11440 Gauss)

Magnetfilterstäbe mit einer geringeren Flussdichte sind für den Einsatz in industriell genutzten Magnetfiltern nur bedingt geeignet.

Für optimale Ergebnisse müssen der Ausbau und die Reinigung der Magnetfilterstäbe so einfach wie möglich sein. Der Deckel der Magnetfilter Serie FMF ist daher mit einem einfach zu öffnenden Schnellverschluss befestigt. Nach dem der Schnellverschluss geöffnet ist, kann der Deckel mit den eingebauten Magnetfilterstäben und dem daran anhaftenden Schmutz aus dem Gehäuse herausgezogen werden. Der an dem Magnetfilter anhaftende Schmutz wird mit einem einfachen Werkzeug abgestreift und der Magnetfilter kann wieder zusammengebaut werden.

Einfacher Ausbau und einfache Reinigung des Friess Magnetfilters FMF 420/3

FRIESS Magnetfiltersysteme werden bei unterschiedlichsten Fertigungsprozessen eingesetzt. Typische  Beispiele sind:

– Feinstreinigung von Kühlschmierstoffen beim Schleifen oder Honen

– Reinigung von Kühlwasser beim Schmieden

– Entfernung von Feinstpartikeln im Heizungswasser

– Entfernung von Partikeln aus Schneidölen

– Entfernung von Feinstpartikeln von Ziehölen

Bei den meisten Anwendungen werden herkömmliche Filtersysteme wie Bandfilter, Hydrozyklone oder Zentrifugen durch den Einsatz der Magnetfiltration unterstützt. Feinstpartikel, die von herkömmlichen Reinigungssystemen nicht erfasst worden sind und sich ungehindert in der Prozessflüssigkeit angereichert haben, werden durch die Magnetfilter problemlos erfasst und abgeschieden. Unternehmen die bereits Friess Magnetfiltersysteme im Einsatz haben, berichten von folgenden Verbesserungen:

  1. Weniger Ausschuss durch besseres Schliffbild, da der Kühlschmierstoff über 95 % weniger Metallpartikel enthält.
  • Besseres Waschergebnis und erheblich reduzierte Partikelzahl auf den gewaschenen Teilen.
  • Deutlich reduzierte Filterkosten, da die Standzeit von Filterpatronen vervielfacht werden konnte.
  • Höhere Lebensdauer für die eingesetzte Prozessflüssigkeit.

In der Regel liegt die Amortisationszeit für einen neuen FRIESS Magnetfilter bei 3 bis 9 Monaten.

Friess Magnetfilter mit Edelstahlgehäuse